摘要：設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單，容易制造的開槽波導(dǎo)功率分配器／合成器。該合成器采用錐形微帶線一波導(dǎo)的過渡結(jié)構(gòu)，每路微帶線傳輸部分由小腔體進(jìn)行隔離。通過CST仿真軟件，設(shè)計了一個中心頻率為35 GHz的Ka頻段的功率合成器。仿真結(jié)果顯示，該結(jié)構(gòu)回波損耗小于-20 dB時的帶寬達(dá)近500 MHz，且插入損耗小于0．1 dB?？梢?，具有極低的插入損耗和較低的回波損耗。
關(guān)鍵詞：空間功率合成；開槽波導(dǎo)；功分器；CST

0 引言
    當(dāng)前，在本地多點分配業(yè)務(wù)這種無線通信系統(tǒng)中，越來越多地用到毫米波段?；景l(fā)射機需要中、高功率的固態(tài)功率放大器。盡管目前在高頻半導(dǎo)體技術(shù)和芯片制作方面取得不小的進(jìn)展，但是毫米波設(shè)備仍然受制于它們的最大輸出功率。目前，市場上可以買到的毫米波段功率放大器芯片MMIC一般只有幾瓦的輸出功率，因此要獲得足夠高的輸出功率，需用好幾片MMIC進(jìn)行合成。
    空間合成器因為其較低的插入損耗和更高的合成效率，從而比傳統(tǒng)的電路合成更受歡迎，它們的合成效率與用于合成的芯片數(shù)量有關(guān)。在制作時，合成電路應(yīng)盡可能緊湊，但是實際尺寸卻受芯片大小、偏置電路、散熱等方面的影響。
    本文介紹的空間功率合成方案，采用開槽矩形波導(dǎo)與多路錐形微帶線耦合的方案。該方案中，開槽矩形波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)比較簡單，容易制作，尺寸也不大，而且散熱很好。在制作10～33 GHz的功率放大器時備受推崇。這種方式構(gòu)建的放大器，維修起來也很容易，若要獲得更大的合成功率，只需要使用較大功率的芯片代替某路原有芯片即可。當(dāng)然，這些高頻段的芯片體積都很小，在裝配時必須非常小心。

1 工作原理與結(jié)構(gòu)
    開槽波導(dǎo)空間合成器的工作原理和開槽波導(dǎo)功分器的外形如圖1所示。信號從波導(dǎo)口輸入，通過開在波導(dǎo)寬邊或窄邊上的縱向槽耦合到微帶線中實現(xiàn)功分，經(jīng)過放大器放大后的信號再由微帶到槽耦合后合成。

    開槽波導(dǎo)功分器按能量在波導(dǎo)中的傳播方式不同可分為行波式和駐波式。行波工作方式下，可在波導(dǎo)終端填充吸收材料，避免在波導(dǎo)內(nèi)形成駐波，耦合槽的位置無特別要求；在駐波工作方式下，波導(dǎo)終端短路，能量在波導(dǎo)中呈駐波分布，耦合槽應(yīng)開在電場的波腹位置。
    這兩種工作方式下，能量在波導(dǎo)內(nèi)的分布不同也帶來了耦合系數(shù)設(shè)置的不同。以4路功分為例，為得到等功率分配，駐波工作方式各路的耦合系數(shù)相同。都是1／4；行波工作方式下能量在波導(dǎo)內(nèi)傳輸時逐級遞減，耦合系數(shù)的設(shè)置為第1路1／4，第2路1／3…第4路應(yīng)保證耦合系數(shù)為1。
    本文最終采用的功分器方案為駐波式，開槽方式為波導(dǎo)邊側(cè)開槽。波導(dǎo)槽位置、尺寸的初始值可以由如下方式確定：
    方法一：借鑒波導(dǎo)裂縫陣天線的設(shè)計方法，引入分布參數(shù)等效電路，其等效圖如圖2所示。

    忽略槽間互耦影響，每個耦合槽帶來的不連續(xù)性用并聯(lián)在傳輸線上的一對復(fù)阻抗單元等效。如圖3所示。電導(dǎo)GK與電納BK分別代表第K個耦合槽帶來的不連續(xù)性；Y0為波導(dǎo)特性導(dǎo)納；LK(K=1，2，…，N)為第K個波導(dǎo)即微帶過渡單元中心和第(K+1)個波導(dǎo)即微帶過渡單元中心的距離。那么每一節(jié)波導(dǎo)部分的合導(dǎo)就是：
   
    在特定頻率下，阻抗單元的虛部消失，表現(xiàn)為純電導(dǎo)，即耦合槽的輻射電導(dǎo)。諧振長度的尋找可通過CST仿真來實現(xiàn)。以開槽長度為優(yōu)化參數(shù)，Im Y11為優(yōu)化目標(biāo)，當(dāng)Im Y11=0時，長度就是此時的諧振長度。

    為使槽與波導(dǎo)達(dá)到良好匹配而降低駐波，開槽單元的電導(dǎo)必須滿足以下條件：

    式中：；x為耦合槽偏離波導(dǎo)，中心線的距離；a，b為波導(dǎo)尺寸。因為4路等功率分配，gi均取1／4，則根據(jù)上式可近似得到4路耦合槽相對波導(dǎo)中心距離。
    開槽寬度根據(jù)擊穿強度確定，在開槽的中心部位，槽邊之間的電壓達(dá)到最大值，此處應(yīng)有擊穿電壓3～4倍的余量。在耦合系數(shù)相同的情況下，每個耦合槽上分擔(dān)的輻射功率是相同的，則每個槽上的最大電壓為：

    式中：Enp為發(fā)生擊穿時的電場強度，由此可得最小槽寬。實際上，槽寬還必須兼顧加工的難易程度，若槽寬太小，則無法用常規(guī)機械加工手段實現(xiàn)。通過以上分析推導(dǎo)，可得波導(dǎo)開槽的尺寸、位置初始值。
    方法二：波導(dǎo)槽位置、尺寸的設(shè)計可用全波分析方法對整個功分合成器建模，然后進(jìn)行迭代求解。但由于結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，這種方法將耗費大量機時。理想的功率分配／合成網(wǎng)絡(luò)要求每一個分配和合成單元都有相同的放大幅度和相位。對于每個單一的波導(dǎo)——微帶過渡單元來說，設(shè)計的目標(biāo)是達(dá)到恰當(dāng)?shù)牟▽?dǎo)到微帶的耦合。這可以通過調(diào)整錐形微帶線外形、開槽寬度、長度和它距離波導(dǎo)邊的距離來獲得。而整個分配／合成網(wǎng)絡(luò)就可以通過級聯(lián)N個波導(dǎo)——微帶的過渡單元來實現(xiàn)。
    基于該方法，一個4路的功率分配／合成網(wǎng)絡(luò)就可以設(shè)計出來了。這個網(wǎng)絡(luò)可以等效為4個波導(dǎo)即微帶過渡單元的級聯(lián)。每個單元都包含一個波導(dǎo)寬邊的徑向槽和一個錐形微帶線。因此該網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計就可以簡化為單個的波導(dǎo)——微帶過渡單元的設(shè)計。
1．2 開槽波導(dǎo)空間合成器的結(jié)構(gòu)
    開4個槽的波導(dǎo)功率合成器拓?fù)鋱D如圖3所示。它由4個開在輸入波導(dǎo)同一E面的槽組成，這些槽將輸入功率分為4路同相等幅的信號。每路信號耦合進(jìn)入錐形微帶線后，饋入固態(tài)功率放大器件，放大后的信號由具有同樣槽的輸出波導(dǎo)合成。在每個波導(dǎo)最后一個槽后放置短路面，距槽中心距離為1／4波長的奇數(shù)倍。

2 建模仿真
    先分析錐形微帶線到波導(dǎo)的過渡并進(jìn)行仿真，得到相關(guān)參數(shù)的初步結(jié)果，尺寸如圖4所示。

    假設(shè)四路功分器彼此隔離，標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)BJ-320的壁厚1 mm，波導(dǎo)長度為5個波長，在該波導(dǎo)E面開一槽，距波導(dǎo)側(cè)面h2，槽長l，槽寬w。短路面距槽中心距離為3λ／4，λ為波導(dǎo)波長，這里λ是理論值，實際工作中有所出入可以通過仿真優(yōu)化得到最優(yōu)值?；褂媒殡姵?shù)相對較小的Duroid5880(εr=2．2)，厚度0．254mm。
    4 路功分器結(jié)構(gòu)在CST中的仿真模型及電場分布圖如圖5，圖6所示。

    仿真目標(biāo)是每個輸出端口有相同的輸出功率，即-6 dB的插損；信號相位一致，在開槽波導(dǎo)中，槽的不連續(xù)性使得電磁波在波導(dǎo)中的相速發(fā)生改變，使得最后輸出相位不一致，所以相位的調(diào)節(jié)只能依賴于調(diào)整功率分配單元之間的距離和微帶線長度來實現(xiàn)。駐波式功分器，波導(dǎo)上縫隙之間的間隔必須等于半波長的整數(shù)倍，考慮到振蕩的影響和偏置電路的安放空間，本文選取一個波長作為縫隙間距，但需要對其進(jìn)行優(yōu)化。各參數(shù)取值如表1所示。

    仿真結(jié)果如圖7，圖8所示。由圖可以看出，在34．3～35．3 GHz頻段幅度一致性和相位一致性較好。

    兩個功分器背靠背相連構(gòu)成功分-放大-合成網(wǎng)絡(luò)時存在兩種方式：對稱式和反對稱式，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖9，圖10所示。其中圖9為對稱式，圖10為反對稱式。

    比較圖11和圖12，反對稱式背靠背結(jié)構(gòu)傳輸系數(shù)在頻率高端優(yōu)于對稱式結(jié)構(gòu)，這是由于反對稱結(jié)構(gòu)在功率合成時可以對功分帶來的相位不平衡進(jìn)行一定的補償。

3 結(jié)語
    本文主要研究了具有錐形耦合微帶線的開槽波導(dǎo)功率分配器／合成器，其優(yōu)勢在于將功分與波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換同時完成，有效降低了系統(tǒng)損耗，減小了體積(理論上尺寸只有53 mm×21 mm×8 mm)。目前，雷達(dá)、通信、航天測控和精確制導(dǎo)系統(tǒng)迫切需要大功率毫米波固態(tài)源，功率從數(shù)瓦到數(shù)十瓦，甚至數(shù)百瓦以上，這必將促進(jìn)毫米波功率合成技術(shù)的快速發(fā)展。